Acoperirile cu întărire UV de înaltă performanță au fost folosite la fabricarea pardoselilor, a mobilierului și a dulapurilor de mulți ani. În cea mai mare parte a acestui timp, acoperirile 100% solide și pe bază de solvenți întăribile UV au fost tehnologia dominantă pe piață. În ultimii ani, tehnologia de acoperire cu întărire UV pe bază de apă a crescut. Rășinile întăribile UV pe bază de apă s-au dovedit a fi un instrument util pentru producători dintr-o varietate de motive, inclusiv trecerea petei KCMA, testarea rezistenței chimice și reducerea COV. Pentru ca această tehnologie să continue să se dezvolte pe această piață, au fost identificați mai mulți factori ca fiind domenii cheie în care trebuie făcute îmbunătățiri. Acestea vor folosi rășini întăribile cu UV pe bază de apă, dincolo de pur și simplu de a avea „must have” pe care le posedă majoritatea rășinilor. Ei vor începe să adauge proprietăți valoroase acoperirii, aducând valoare fiecărei poziții de-a lungul lanțului valoric, de la formulatorul de acoperire la aplicatorul din fabrică până la instalator și, în cele din urmă, la proprietar.
Producătorii, în special astăzi, doresc o acoperire care să facă mai mult decât să respecte specificațiile. Există, de asemenea, alte proprietăți care oferă beneficii în producție, ambalare și instalare. Un atribut dorit este îmbunătățirea eficienței instalației. Pentru acoperirea pe bază de apă, aceasta înseamnă o eliberare mai rapidă a apei și o rezistență mai rapidă la blocare. Un alt atribut dorit este îmbunătățirea stabilității rășinii pentru captarea/reutilizarea unei acoperiri și gestionarea inventarului acestora. Pentru utilizatorul final și instalator, atributele dorite sunt o rezistență mai bună la lustruire și nici un marcaj metalic în timpul instalării.
Acest articol va discuta noile evoluții ale poliuretanilor întăribili cu UV pe bază de apă, care oferă o stabilitate mult îmbunătățită a vopselei la 50 °C atât în acoperiri transparente, cât și pigmentate. Se discută, de asemenea, modul în care aceste rășini abordează atributele dorite ale aplicatorului de acoperire în creșterea vitezei liniei prin eliberare rapidă a apei, rezistență îmbunătățită la blocare și rezistență la solvenți în afara liniei, ceea ce îmbunătățește viteza pentru operațiunile de stivuire și ambalare. Acest lucru va îmbunătăți, de asemenea, daunele off-line care apar uneori. Acest articol discută, de asemenea, îmbunătățirile demonstrate în ceea ce privește rezistența la pete și substanțe chimice importante pentru instalatori și proprietari.
Fundal
Peisajul industriei de acoperiri este în continuă evoluție. Necesarul de a trece specificația la un preț rezonabil pe mil aplicat pur și simplu nu este suficient. Peisajul pentru acoperirile aplicate din fabrică pentru dulapuri, tâmplărie, podele și mobilier se schimbă rapid. Formulatorii care furnizează acoperiri fabricilor sunt rugați să facă acoperirile mai sigure pentru aplicarea angajaților, să îndepărteze substanțele de mare îngrijorare, să înlocuiască COV-urile cu apă și chiar să folosească mai puțin carbon fosil și mai mult carbon bio. Realitatea este că de-a lungul lanțului valoric, fiecare client cere acoperirii să facă mai mult decât să respecte specificațiile.
Văzând o oportunitate de a crea mai multă valoare pentru fabrică, echipa noastră a început să investigheze la nivel de fabrică provocările cu care se confruntau acești aplicatori. După multe interviuri am început să auzim câteva teme comune:
- Permiterea obstacolelor îmi împiedică obiectivele de extindere;
- Costurile cresc, iar bugetele noastre de capital sunt în scădere;
- Costurile atât cu energia, cât și cu personalul sunt în creștere;
- Pierderea angajaților cu experiență;
- Trebuie îndeplinite obiectivele noastre corporative SG&A, precum și cele ale clientului meu; şi
- Concurență de peste mări.
Aceste teme au condus la declarații de propunere de valoare care au început să rezoneze cu aplicatorii de poliuretani întăribili UV pe bază de apă, în special în spațiul pieței de tâmplărie și dulapuri, cum ar fi: „producătorii de tâmplărie și dulapuri caută îmbunătățiri în eficiența fabricii” și „producătorii”. doresc capacitatea de a extinde producția pe linii de producție mai scurte, cu mai puține daune de reluare din cauza acoperirilor cu proprietăți de eliberare lentă a apei.”
Tabelul 1 ilustrează modul în care, pentru producătorul de materii prime pentru acoperiri, îmbunătățirile anumitor atribute ale acoperirii și proprietăți fizice conduc la eficiențe care pot fi realizate de către utilizatorul final.
TABEL 1 | Atribute și beneficii.
Prin proiectarea PUD-urilor curabile cu UV cu anumite atribute, așa cum sunt enumerate în tabelul 1, producătorii de uz final vor putea să răspundă nevoilor pe care le au în îmbunătățirea eficienței plantelor. Acest lucru le va permite să fie mai competitivi și, eventual, le va permite să extindă producția actuală.
Rezultate experimentale și discuții
Istoricul dispersilor de poliuretan cu întărire UV
În anii 1990, utilizările comerciale ale dispersiilor de poliuretan anionic care conțin grupări acrilat atașate la polimer au început să fie utilizate în aplicații industriale.1 Multe dintre aceste aplicații au fost în ambalaje, cerneluri și acoperiri pentru lemn. Figura 1 prezintă o structură generică a unui PUD cu întărire UV, demonstrând modul în care sunt proiectate aceste materii prime de acoperire.
FIGURA 1 | Dispersie poliuretanică funcţională acrilat generic.3
După cum se arată în Figura 1, dispersiile de poliuretan cu întărire UV (PUD cu întărire UV) sunt alcătuite din componentele tipice utilizate pentru a face dispersii de poliuretan. Diizocianații alifatici sunt reacționați cu esterii, diolii, grupările de hidrofilizare și extinderii de lanț tipici utilizați pentru a face dispersii poliuretanice.2 Diferența este adăugarea unui ester funcțional acrilat, epoxi sau eteri încorporați în etapa de pre-polimer în timp ce se face dispersia. . Alegerea materialelor utilizate ca blocuri de construcție, precum și arhitectura și procesarea polimerului, dictează performanța și caracteristicile de uscare ale unui PUD. Aceste alegeri în materie de materii prime și procesare vor duce la PUD-uri întăribile cu UV, care pot fi neformatoare de peliculă, precum și cele care formează film.3 Formarea filmului, sau tipurile de uscare, fac obiectul acestui articol.
Formarea filmului, sau uscarea, așa cum este adesea numită, va produce filme coalesce care sunt uscate la atingere înainte de întărirea UV. Deoarece aplicatorii doresc să limiteze contaminarea prin aer a acoperirii din cauza particulelor, precum și nevoia de viteză în procesul lor de producție, acestea sunt adesea uscate în cuptoare ca parte a unui proces continuu înainte de întărirea UV. Figura 2 prezintă procesul tipic de uscare și întărire al unui PUD întăribil cu UV.
FIGURA 2 | Proces pentru a vindeca un PUD curabil cu UV.
Metoda de aplicare folosită este de obicei prin pulverizare. Cu toate acestea, s-au folosit cuțit peste rolă și chiar strat de inundare. Odată aplicată, stratul de acoperire va trece de obicei printr-un proces în patru etape înainte de a fi manipulat din nou.
1.Bliț: Acest lucru se poate face la temperatură camerei sau ridicate timp de câteva secunde până la câteva minute.
2.Uscare la cuptor: Aici apa și co-solvenții sunt eliminate din strat. Acest pas este critic și, de obicei, consumă cel mai mult timp într-un proces. Acest pas este de obicei la >140 °F și durează până la 8 minute. De asemenea, pot fi utilizate cuptoare de uscare cu mai multe zone.
- Lampa IR și mișcarea aerului: Instalarea lămpilor IR și a ventilatoarelor pentru mișcarea aerului va accelera fulgerul apei și mai repede.
3. Cura UV.
4.Răcire: Odată întărită, acoperirea va trebui să se întărească pentru o anumită perioadă de timp pentru a obține rezistența la blocare. Acest pas poate dura până la 10 minute înainte de a obține rezistența de blocare
Experimental
Acest studiu a comparat două PUD-uri UV-curable (WB UV), utilizate în prezent pe piața dulapurilor și a tâmplăriei, cu noua noastră dezvoltare, PUD # 65215A. În acest studiu comparăm Standardul #1 și Standardul #2 cu PUD #65215A în ceea ce privește uscare, blocare și rezistență chimică. De asemenea, evaluăm stabilitatea pH-ului și stabilitatea vâscozității, care pot fi esențiale atunci când se ia în considerare reutilizarea suprasprayului și perioada de valabilitate. Mai jos, în Tabelul 2 sunt prezentate proprietățile fizice ale fiecăreia dintre rășinile utilizate în acest studiu. Toate cele trei sisteme au fost formulate la nivel similar de fotoinițiator, COV și nivel de solide. Toate cele trei rășini au fost formulate cu 3% co-solvent.
TABELUL 2 | Proprietățile rășinii PUD.
Ni s-a spus în interviurile noastre că majoritatea acoperirilor WB-UV de pe piețele de tâmplărie și dulapuri se usucă pe o linie de producție, care durează între 5-8 minute înainte de întărirea UV. În schimb, o linie UV pe bază de solvenți (SB-UV) se usucă în 3-5 minute. În plus, pentru această piață, acoperirile sunt de obicei aplicate 4-5 mils umed. Un dezavantaj major pentru acoperirile cu întărire UV pe bază de apă, în comparație cu alternativele pe bază de solvenți, întăribili cu UV, este timpul necesar pentru a declanșa apa pe o linie de producție.4 Defecte ale peliculei, cum ar fi pete albe, vor apărea dacă apa nu a fost evacuată corespunzător din acoperire înainte de întărire UV. Acest lucru se poate întâmpla și dacă grosimea filmului umed este prea mare. Aceste pete albe sunt create atunci când apa rămâne prinsă în interiorul peliculei în timpul întăririi UV.5
Pentru acest studiu am ales un program de întărire similar cu cel care ar fi utilizat pe o linie pe bază de solvenți cu întărire UV. Figura 3 arată programul nostru de aplicare, uscare, întărire și ambalare utilizat pentru studiul nostru. Acest program de uscare reprezintă o îmbunătățire între 50% și 60% a vitezei generale a liniei față de standardul actual de piață în aplicațiile de tâmplărie și dulap.
FIGURA 3 | Program de aplicare, uscare, întărire și ambalare.
Mai jos sunt condițiile de aplicare și de întărire pe care le-am folosit pentru studiul nostru:
● Aplicare prin pulverizare peste furnir de arțar cu un strat de bază negru.
●Bliț de 30 de secunde la temperatura camerei.
● Cuptor de uscare la 140 °F pentru 2,5 minute (cuptor cu convecție).
●Cure UV – intensitate aproximativ 800 mJ/cm2.
- Acoperirile transparente au fost vindecate folosind o lampă Hg.
- Acoperirile pigmentate au fost vindecate folosind o lampă combinată Hg/Ga.
● 1 minut de răcire înainte de stivuire.
Pentru studiul nostru, am pulverizat, de asemenea, trei grosimi diferite de peliculă umedă pentru a vedea dacă ar fi realizate și alte avantaje, cum ar fi mai puține straturi. 4 mils umed este tipic pentru WB UV. Pentru acest studiu am inclus și aplicații de acoperire umedă de 6 și 8 mils.
Rezultate de vindecare
Standardul #1, o acoperire transparentă cu luciu ridicat, rezultatele sunt prezentate în Figura 4. Acoperirea transparentă UV WB a fost aplicată pe plăci de fibre dense medie (MDF) acoperite anterior cu un strat de bază negru și întărite conform programului prezentat în Figura 3. La 4 mils umeziți acoperirea trece. Cu toate acestea, la aplicarea umedă de 6 și 8 mils, acoperirea s-a crăpat și 8 mils a fost îndepărtată cu ușurință din cauza eliberării slabe de apă înainte de întărirea UV.
FIGURA 4 | Standardul #1.
Un rezultat similar este văzut și în Standardul #2, prezentat în Figura 5.
FIGURA 5 | Standardul #2.
Prezentat în Figura 6, folosind același program de întărire ca și în Figura 3, PUD #65215A a demonstrat o îmbunătățire extraordinară în eliberarea/uscarea apei. La o grosime a filmului umed de 8 mils, s-a observat o ușoară crăpare pe marginea inferioară a probei.
FIGURA 6 | PUD #65215A.
Testarea suplimentară a PUD# 65215A într-o acoperire transparentă slab lucioasă și acoperire pigmentată peste același MDF cu un strat de bază negru a fost evaluată pentru a evalua caracteristicile de eliberare a apei în alte formulări tipice de acoperire. După cum se arată în Figura 7, formularea cu luciu scăzut la aplicarea umedă de 5 și 7 mils a eliberat apa și a format o peliculă bună. Cu toate acestea, la 10 mils umed, era prea groasă pentru a elibera apa conform programului de uscare și întărire din Figura 3.
FIGURA 7 | PUD cu luciu redusă #65215A.
Într-o formulă pigmentată albă, PUD #65215A a avut rezultate bune în același program de uscare și întărire descris în Figura 3, cu excepția cazului în care este aplicat la 8 mils umede. După cum se arată în Figura 8, filmul se fisurează la 8 mils din cauza eliberării slabe a apei. În general, în formulările clare, cu luciu scăzut și pigmentate, PUD# 65215A a avut rezultate bune în formațiunile de film și uscare atunci când este aplicat până la 7 mils umed și întărit la programul accelerat de uscare și întărire descris în Figura 3.
FIGURA 8 | PUD pigmentat #65215A.
Blocarea rezultatelor
Rezistența la blocare este capacitatea unei acoperiri de a nu se lipi de un alt articol acoperit atunci când este stivuită. În producție, acesta este adesea un blocaj dacă este nevoie de timp pentru ca o acoperire întărită să obțină rezistență la blocaj. Pentru acest studiu, formulările pigmentate ale Standardului #1 și PUD #65215A au fost aplicate pe sticlă la 5 mils umede folosind o bară de tragere. Acestea au fost întărite fiecare conform programului de întărire din Figura 3. Două panouri de sticlă acoperite au fost întărite în același timp – la 4 minute după întărire, panourile au fost prinse împreună, așa cum se arată în Figura 9. Au rămas prinse împreună la temperatura camerei timp de 24 de ore. . Dacă panourile au fost separate cu ușurință fără amprenta sau deteriorarea panourilor acoperite, atunci testul a fost considerat ca fiind promovat.
Figura 10 ilustrează rezistența de blocare îmbunătățită a PUD# 65215A. Deși atât Standardul #1, cât și PUD #65215A au obținut o întărire completă în testul anterior, numai PUD #65215A a demonstrat suficientă eliberare de apă și întărire pentru a obține rezistența la blocare.
FIGURA 9 | Ilustrația testului de rezistență la blocare.
FIGURA 10 | Rezistența de blocare a standardului #1, urmată de PUD #65215A.
Rezultate amestecare acrilice
Producătorii de acoperiri combină adesea rășini WB întăribile cu UV cu acrilice pentru a reduce costurile. Pentru studiul nostru, am analizat, de asemenea, amestecarea PUD#65215A cu NeoCryl® XK-12, un acrilic pe bază de apă, adesea folosit ca partener de amestecare pentru PUD-uri pe bază de apă tratabile cu UV pe piața tâmplăriei și dulapurilor. Pentru această piață, testarea petelor KCMA este considerată standard. În funcție de aplicația finală, unele substanțe chimice vor deveni mai importante decât altele pentru producătorul articolului acoperit. Un rating de 5 este cel mai bun și un rating de 1 este cel mai rău.
Așa cum se arată în Tabelul 3, PUD #65215A funcționează excepțional de bine în testarea petelor KCMA ca limpede cu luciu ridicat, transparent cu luciu scăzut și ca acoperire pigmentată. Chiar și atunci când este amestecat 1:1 cu un acrilic, testarea petelor KCMA nu este afectată drastic. Chiar și la colorarea cu agenți cum ar fi muștarul, acoperirea și-a revenit la un nivel acceptabil după 24 de ore.
TABELUL 3 | Rezistență chimică și la pete (evaluarea de 5 este cea mai bună).
Pe lângă testarea petelor KCMA, producătorii vor testa și vindecarea imediat după întărirea UV de pe linie. Adesea, efectele amestecării acrilice vor fi observate imediat în afara liniei de întărire în acest test. Se așteaptă ca acoperirea să nu fie depășită după 20 de frecări duble cu alcool izopropilic (20 IPA dr). Probele sunt testate la 1 minut după întărirea UV. În testarea noastră, am văzut că un amestec 1:1 de PUD# 65215A cu un acrilic nu a trecut acest test. Cu toate acestea, am văzut că PUD #65215A ar putea fi amestecat cu 25% NeoCryl XK-12 acrilic și totuși să treacă testul 20 IPA dr (NeoCryl este o marcă înregistrată a grupului Covestro).
FIGURA 11 | 20 de frecări duble IPA, la 1 minut după cura UV.
Stabilitatea rășinii
De asemenea, a fost testată stabilitatea PUD #65215A. O formulare este considerată stabilă la depozitare dacă după 4 săptămâni la 40 °C, pH-ul nu scade sub 7 și vâscozitatea rămâne stabilă în comparație cu cea inițială. Pentru testarea noastră, am decis să supunem probele la condiții mai dure de până la 6 săptămâni la 50 °C. În aceste condiții, Standardul #1 și #2 nu au fost stabile.
Pentru testarea noastră, ne-am uitat la limpede cu luciu ridicat, limpede cu luciu scăzut, precum și la formulările pigmentate cu luciu scăzut utilizate în acest studiu. După cum se arată în Figura 12, stabilitatea pH-ului tuturor celor trei formulări a rămas stabilă și peste pragul de pH de 7,0. Figura 13 ilustrează modificarea minimă a viscozității după 6 săptămâni la 50 °C.
FIGURA 12 | Stabilitatea pH-ului formulat PUD #65215A.
FIGURA 13 | Stabilitatea vâscozității PUD #65215A formulat.
Un alt test care demonstrează performanța de stabilitate a PUD #65215A a fost testarea din nou a rezistenței la patarea KCMA a unei formulări de acoperire care a fost îmbătrânită timp de 6 săptămâni la 50 °C și compararea acesteia cu rezistența sa inițială la patarea KCMA. Acoperirile care nu prezintă o stabilitate bună vor înregistra scăderi în performanța colorării. După cum se arată în Figura 14, PUD# 65215A a menținut același nivel de performanță ca și în testul inițial de rezistență chimică/la pete a stratului pigmentat prezentat în Tabelul 3.
FIGURA 14 | Panouri de testare chimică pentru PUD pigmentat #65215A.
Concluzii
Pentru aplicatorii de acoperiri pe bază de apă care se întăresc cu UV, PUD #65215A le va permite să îndeplinească standardele actuale de performanță pe piețele de tâmplărie, lemn și dulapuri și, în plus, va permite procesului de acoperire să vadă îmbunătățiri ale vitezei liniei la mai mult de 50 -60% față de acoperirile standard pe bază de apă, întăribile cu UV. Pentru aplicator, aceasta poate însemna:
●Producție mai rapidă;
● Grosimea crescută a filmului reduce nevoia de straturi suplimentare;
●Linii de uscare mai scurte;
●Economie de energie datorita necesarului redus de uscare;
●Rezistență redusă datorită rezistenței rapide la blocare;
●Reducerea deșeurilor de acoperire datorită stabilității rășinii.
Cu COV mai mici de 100 g/L, producătorii sunt, de asemenea, mai capabili să-și atingă obiectivele de COV. Pentru producătorii care pot avea îngrijorări legate de extindere din cauza problemelor de autorizare, PUD-ul cu eliberare rapidă a apei #65215A le va permite să își îndeplinească mai ușor obligațiile de reglementare fără sacrificii de performanță.
La începutul acestui articol, am citat din interviurile noastre că aplicatorii de materiale UV pe bază de solvenți uscau și întăresc acoperirile într-un proces care dura între 3-5 minute. Am demonstrat în acest studiu că, conform procesului prezentat în Figura 3, PUD #65215A va întări până la 7 mils grosime de peliculă umedă în 4 minute la o temperatură a cuptorului de 140 °C. Acest lucru se încadrează bine în fereastra majorității acoperirilor cu întări UV pe bază de solvenți. PUD #65215A ar putea permite aplicatorilor actuali ai materialelor UV-curable pe bază de solvenți să treacă la un material UV-curable pe bază de apă, cu puține modificări ale liniei lor de acoperire.
Pentru producătorii care iau în considerare extinderea producției, acoperirile bazate pe PUD #65215A le vor permite:
● Economisiți bani prin utilizarea unei linii mai scurte de acoperire pe bază de apă;
● Să aibă o amprentă mai mică a liniei de acoperire în instalație;
● Au un impact redus asupra permisului actual de COV;
●Realizați economii de energie datorită nevoilor reduse de uscare.
În concluzie, PUD #65215A va ajuta la îmbunătățirea eficienței de fabricație a liniilor de acoperire cu întărire UV prin performanță de înaltă proprietate fizică și caracteristici de eliberare rapidă a apei ale rășinii atunci când este uscată la 140 °C.
Ora postării: 14-aug-2024
